Raspberry Pi PoE HAT to praktyczny sposób na zasilenie Raspberry Pi tym samym przewodem, którym urządzenie komunikuje się z siecią. Zamiast osobnego zasilacza i osobnego kabla Ethernet wystarczy przełącznik PoE albo injektor PoE oraz nakładka HAT zgodna z danym modelem Raspberry Pi. Takie rozwiązanie upraszcza instalację, ogranicza liczbę przewodów i dobrze sprawdza się w kamerach IP, punktach dostępowych, panelach informacyjnych, bramkach IoT oraz urządzeniach montowanych wysoko, w szafach technicznych albo w trudno dostępnych miejscach. W tym artykule wyjaśniamy, czym jest PoE, jak działa Raspberry Pi PoE HAT, czym różni się wersja PoE od PoE+ i o czym pamiętać przy montażu.
Czym jest PoE? Dlaczego warto używać PoE?
Kamera IP zasilana przez PoE.
Źródło: Wikimedia Commons.
Power over Ethernet (PoE) to technologia przesyłania energii elektrycznej i danych jednym przewodem sieciowym, najczęściej kategorii Cat 5e lub Cat 6. Po stronie instalacji potrzebne jest urządzenie zasilające PSE, czyli przełącznik PoE albo injektor PoE. Po stronie odbiornika znajduje się urządzenie PD, które negocjuje pobór mocy i przetwarza napięcie z linii Ethernet na napięcie wymagane przez elektronikę.
W praktyce oznacza to, że Raspberry Pi może pracować bez lokalnego zasilacza USB. Energia dociera przez RJ45, a nakładka PoE HAT obniża ją do stabilnych 5 V potrzebnych płytce. To szczególnie wygodne w instalacjach, w których Raspberry Pi działa jako sterownik, rejestrator, bramka sieciowa albo komputer brzegowy.
PoE zapewnia następujące korzyści:
Raspberry Pi PoE HAT - redukuje czas i koszty.
Instalacja jest prostsza, bo jeden przewód realizuje dwa zadania: transmisję danych i zasilanie. Nie trzeba prowadzić osobnego kabla zasilającego ani montować gniazda sieciowego przy każdym urządzeniu.
W wielu wdrożeniach obniża to koszt montażu, skraca czas uruchomienia i zmniejsza liczbę punktów, które mogą ulec awarii. Okablowanie niskonapięciowe Ethernet jest też łatwiejsze do rozbudowy niż klasyczna instalacja zasilająca.
Jeżeli infrastruktura sieciowa jest już przygotowana pod PoE, dodanie kolejnego Raspberry Pi często sprowadza się do wpięcia przewodu do właściwego portu przełącznika.
Kontrola zasilania
Scentralizowany przełącznik PoE pozwala zarządzać zasilaniem urządzeń z jednego miejsca. Administrator może zdalnie wyłączyć port, zrestartować urządzenie albo sprawdzić, ile mocy pobiera dana instalacja.
Jeżeli przełącznik PoE jest podłączony do zasilacza awaryjnego UPS, z ochrony korzystają wszystkie urządzenia zasilane z jego portów. To prostsze niż montowanie osobnych zasilaczy awaryjnych przy każdym punkcie końcowym.
Raspberry Pi PoE HAT - elastyczność
Urządzenie zasilane przez PoE można przenieść w inne miejsce bez szukania lokalnego gniazda zasilania. Wystarczy dostęp do przewodu Ethernet podłączonego do przełącznika PoE lub injektora.
Dlatego PoE dobrze pasuje do punktów dostępowych Wi-Fi, kamer bezpieczeństwa, czujników środowiskowych, paneli sterowania i małych komputerów instalowanych w obudowach technicznych.
Największą wartość widać tam, gdzie dostęp serwisowy jest ograniczony: pod sufitem, na masztach, w korytach kablowych albo w szafach automatyki.
Raspberry Pi PoE HAT - bezpieczeństwo
Standardy PoE przewidują wykrywanie i klasyfikację urządzenia przed podaniem pełnego zasilania. Zgodny przełącznik nie powinien zasilać przypadkowego odbiornika tak, jakby był urządzeniem PoE.
Typowe nakładki Raspberry Pi PoE pracują z wejściem 37-57 V DC z linii Ethernet i mają izolowaną przetwornicę impulsową. Oficjalny PoE HAT jest urządzeniem 802.3af klasy 2 i daje wyjście 5 V / 2,5 A, a PoE+ HAT obsługuje 802.3at i dostarcza 5 V / 4 A.
Mimo że PoE upraszcza instalację, nadal trzeba przestrzegać zaleceń producenta: zapewnić wentylację, używać zgodnego sprzętu zasilającego i nie manipulować płytką pod napięciem.
Czym jest Raspberry Pi PoE HAT?
Nakładka PoE HAT.
Źródło: Geekworm/wiki.
Raspberry Pi PoE HAT to niewielka płytka rozszerzeń montowana na Raspberry Pi. Łączy się z 40-pinowym złączem GPIO oraz z dodatkowym 4-pinowym złączem PoE obecnym w Raspberry Pi 3 Model B+ i Raspberry Pi 4 Model B. Po podłączeniu do sieci z urządzeniem zasilającym PoE nakładka pobiera energię z kabla Ethernet i zasila Raspberry Pi napięciem 5 V.
PoE HAT można zamontować między innymi na Raspberry Pi 4 Model B.
Raspberry Pi PoE+ HAT vs. PoE HAT - porównanie specyfikacji
Oficjalne nakładki Raspberry Pi PoE i PoE+ mają podobny cel, ale różnią się obsługiwanym standardem i dostępną mocą. Starszy PoE HAT obsługuje IEEE 802.3af, pracuje jako urządzenie klasy 2, przyjmuje 37-57 V DC i dostarcza Raspberry Pi wyjście 5 V / 2,5 A. PoE+ HAT obsługuje IEEE 802.3at-2009, pracuje jako urządzenie klasy 4 i daje wyjście 5 V / 4 A, co daje większy zapas dla Raspberry Pi 4 oraz urządzeń peryferyjnych zasilanych z USB.
PoE+ HAT ma wydajniejszą przetwornicę i przeprojektowany układ magnetyczny, dzięki czemu zapewnia większą moc wyjściową przy podobnym formacie płytki. Oba warianty mają mały wentylator 25 mm sterowany przez Raspberry Pi przez I2C, który włącza się automatycznie zależnie od temperatury procesora.
Raspberry Pi PoE HAT - alternatywy dla PoE HAT
Oficjalny HAT nie jest jedyną drogą do zasilania Raspberry Pi przez Ethernet. W zależności od projektu można wybrać płytę nośną z PoE dla Compute Module, alternatywną nakładkę zgodną z GPIO albo zewnętrzny splitter PoE.
Raspberry Pi Compute Module IO Board
Moduł obliczeniowy Raspberry Pi.
Źródło: Wikimedia Commons.
W projektach przemysłowych zamiast klasycznego Raspberry Pi często stosuje się Raspberry Pi Compute Module z płytą nośną dopasowaną do aplikacji. Standardowa płyta IO służy głównie do prototypowania i wyprowadzania interfejsów, natomiast PoE trzeba przewidzieć w konkretnej płycie nośnej albo zastosować gotowy carrier board z układem zasilania PoE. To dobre podejście, gdy urządzenie ma trafić do obudowy, korzystać z niestandardowych złączy albo wymagać produkcji seryjnej.
Raspberry Pi PoE HAT - alternatywny HAT PoE od DSLRKit
Na rynku są też nakładki PoE innych producentów, na przykład moduły sprzedawane pod marką DSLRKit. Takie płytki zwykle korzystają z tego samego 40-pinowego GPIO i dodatkowego złącza PoE, ale mogą mieć inny profil mechaniczny, inne chłodzenie albo wyprowadzenia umożliwiające dalsze użycie wybranych pinów GPIO. Przed zakupem trzeba sprawdzić zgodność z konkretnym modelem Raspberry Pi, typ obsługiwanego standardu PoE, wydajność 5 V oraz wysokość elementów względem obudowy.
Adapter PoE (splitter zasilania)
Szare i czarne moduły reprezentują splittery PoE.
Splitter PoE rozdziela sygnał z jednego przewodu Ethernet na dane RJ45 oraz osobne wyjście zasilania, zwykle micro-USB, USB-C albo wtyk DC zależnie od modelu. To rozwiązanie przydatne, gdy Raspberry Pi nie ma złącza PoE, gdy nie chcemy montować HAT-a albo gdy w obudowie brakuje miejsca nad płytką. Trzeba jednak dobrać splitter o odpowiednim napięciu i prądzie wyjściowym; dla Raspberry Pi kluczowe jest stabilne 5 V oraz zapas prądowy zgodny z używanym modelem i peryferiami.
Jak podłączyć Raspberry Pi PoE HAT
Poniższe kroki dotyczą oficjalnego Raspberry Pi PoE HAT oraz PoE+ HAT montowanych na Raspberry Pi 3 Model B+ lub Raspberry Pi 4 Model B.
Niezbędne części
Przed montażem przygotuj komplet elementów i upewnij się, że pochodzą z jednej zgodnej konfiguracji.
Raspberry Pi 3 Model B+ przygotowane do montażu nakładki.
Raspberry Pi PoE HAT lub Raspberry Pi PoE+ HAT.
Dostarczone dystanse mechaniczne i śruby.
Raspberry Pi 4 Model B albo Raspberry Pi 3 Model B+.
Przewód Ethernet.
Przełącznik lub injektor zgodny z 802.3af dla PoE HAT albo 802.3at dla pełnych możliwości PoE+ HAT.
Kroki montażu
Przed instalacją odłącz Raspberry Pi od zasilania i wypnij wszystkie przewody. Zamocuj dystanse mechaniczne w czterech narożnikach płytki, a następnie ustaw HAT tak, aby jednocześnie trafił w złącze 40-pin GPIO i w 4-pinowe złącze PoE. Dociśnij płytkę równomiernie, bez przechylania jej na jedną stronę. Po poprawnym montażu podłącz przewód Ethernet do gniazda RJ45; zasilanie zostanie dostarczone przez sieć PoE.
Aby zdjąć PoE HAT, odłącz przewód Ethernet i poczekaj, aż urządzenie całkowicie się wyłączy. Następnie zdejmuj nakładkę powoli i równomiernie, tak aby wszystkie piny wychodziły ze złączy w tym samym tempie. Nie podważaj jednego końca płytki, ponieważ można uszkodzić złącza albo wygiąć piny.
Do pracy PoE HAT nie trzeba modyfikować samego Raspberry Pi. Warto natomiast używać aktualnego Raspberry Pi OS lub aktualnego firmware, bo sterowanie wentylatorem odbywa się przez magistralę I2C. Wentylator włącza się automatycznie zależnie od temperatury procesora, więc jego praca nie oznacza błędu - to normalny element kontroli termicznej.
Zasady bezpiecznego użytkowania
Podczas pracy z PoE HAT należy stosować zasady bezpieczeństwa zalecane przez producenta.
Poniższe wskazówki zmniejszają ryzyko uszkodzenia płytki, przegrzania lub niestabilnej pracy.
Trzymaj sprzęt z dala od źródeł ciepła.
Upewnij się, że wentylator ma swobodny przepływ powietrza.
Obchodź się z płytką ostrożnie, aby nie uszkodzić PCB, złączy ani pinów GPIO.
Nie wkładaj żadnych przedmiotów do wentylatora.
Chroń Raspberry Pi i nakładkę PoE przed wodą oraz wilgocią.
Podczas pracy umieść urządzenie na stabilnej, płaskiej i nieprzewodzącej powierzchni.
Nie montuj, nie zdejmuj i nie dotykaj nakładki przy podłączonym zasilaniu PoE.
Upewnij się, że wszystkie urządzenia peryferyjne i elementy instalacji spełniają wymagania bezpieczeństwa oraz normy obowiązujące w kraju użytkowania.
Podsumowanie
PoE jest jednym z najwygodniejszych sposobów zasilania Raspberry Pi w instalacjach sieciowych. Ogranicza liczbę przewodów, ułatwia montaż w trudno dostępnych miejscach i pozwala centralnie zarządzać zasilaniem wielu urządzeń. Oficjalny Raspberry Pi PoE HAT wystarcza do typowych zastosowań z Raspberry Pi 3 Model B+ i Raspberry Pi 4 Model B, natomiast PoE+ HAT daje większy zapas mocy dzięki wyjściu 5 V / 4 A.
Jeżeli projektujesz własną płytkę nośną, moduł zasilania PoE albo urządzenie oparte na Raspberry Pi i potrzebujesz wsparcia produkcyjnego, OurPCB może pomóc w wykonaniu PCB, montażu SMT/THT oraz kontroli jakości. Prześlij pliki Gerber, BOM i wymagania montażowe, a otrzymasz wycenę w 12 godzin roboczych.